步進(jìn)式圓坯上料臺(tái)架研發(fā)

金枝

(北京京誠(chéng)鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

1 前言

根據(jù)某工程需要，擬建一條鋼管調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線上需要設(shè)計(jì)一臺(tái)上料臺(tái)架。該上料臺(tái)架是此調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的起始設(shè)備，其作用一是存放圓坯，二是把圓坯一根根準(zhǔn)確、有序地送到裝料輥道上，以便輸送入工業(yè)爐內(nèi)。該生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)鋼管的調(diào)質(zhì)處理，投資小，占地面積小，要求設(shè)備緊湊實(shí)用。

現(xiàn)有技術(shù)中廣泛使用的有：曲軸傳動(dòng)步進(jìn)式上料臺(tái)架、鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)式上料臺(tái)架、液壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式上料臺(tái)架。

1)曲軸傳動(dòng)步進(jìn)式上料臺(tái)架[1]，由定梁、動(dòng)梁和驅(qū)動(dòng)裝置組成。定梁接受吊運(yùn)來(lái)的鋼坯，動(dòng)梁由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)兩根曲軸，托起動(dòng)梁使鋼坯沿圓弧軌跡上升前進(jìn)下落。由于曲軸的存在，步距不能太大，且步距無(wú)法調(diào)節(jié)，不能滿足各種不同規(guī)格的鋼坯靈活調(diào)度的上、下線要求；而且還需要配置裝取料裝置，才能將鋼坯從上料臺(tái)架送到輥道上或?qū)⑤伒郎系匿撆魅』氐脚_(tái)架上，由于這種臺(tái)架需要單獨(dú)配置裝取料裝置，設(shè)備數(shù)量多，占地多，結(jié)構(gòu)不緊湊，投資大，維護(hù)不便。

2)鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)式上料臺(tái)架[2]，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)滾子鏈，撥爪固定在鏈條上，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)撥爪來(lái)推動(dòng)鋼坯在臺(tái)面上運(yùn)動(dòng)，因每條鏈條上一般只安裝一個(gè)撥爪，一次每個(gè)循環(huán)只能輸送一根鋼坯，運(yùn)行過(guò)程中鋼坯在固定臺(tái)面上滑動(dòng)，鋼坯磨損較大，對(duì)熱坯尤其不利，且鋼坯在上料臺(tái)架末端靠近輥道位置無(wú)法準(zhǔn)確定位，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)將輥道上鋼坯返回到臺(tái)架上。

3)液壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式上料臺(tái)架[1][3][4]，目前應(yīng)用廣泛，采用兩組液壓缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)梁臺(tái)架做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，鋼坯通過(guò)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)到臺(tái)架上距離輥道最近的位置，滑落到輥道上，此結(jié)構(gòu)對(duì)輥道形成一定的沖擊，噪音大，對(duì)鋼坯和輥道表面都有損傷，并且臺(tái)架靠近輥道一端需要配置擋料裝置，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)輥道上的坯料返回到臺(tái)架上。常用的液壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式上料臺(tái)架也有采用單獨(dú)配置裝取料裝置形式的。

新開(kāi)發(fā)的上料臺(tái)架需要克服上述缺陷，解決圓坯上線生產(chǎn)，克服生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)需要的設(shè)備種類多、占地大、結(jié)構(gòu)不緊湊、投資高和維護(hù)負(fù)擔(dān)重等問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1 工藝參數(shù)及流程

鋼管調(diào)質(zhì)生產(chǎn)方式：調(diào)質(zhì)集中生產(chǎn)，連續(xù)式作業(yè)方式。

調(diào)質(zhì)工件規(guī)格：外徑φ150-φ430，壁厚10-40，長(zhǎng)度6000-15000；典型工件尺寸：外徑φ400mm，壁厚20mm，長(zhǎng)度15000mm；典型工件生產(chǎn)節(jié)奏5支/小時(shí)(或12min/件)。

上料臺(tái)架用于接受吊車吊運(yùn)來(lái)的圓坯，通過(guò)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，將圓坯一根根準(zhǔn)確、有序地送到裝料輥道上，以便輸送入爐內(nèi)。步距為：前進(jìn)、后退560mm，上升、下降220mm。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

步進(jìn)式圓坯上料臺(tái)架布置在裝料輥道非傳動(dòng)端一側(cè)，結(jié)構(gòu)型式是：全液壓驅(qū)動(dòng)，拉桿托臂式；共有四根動(dòng)梁裝配和四根定梁裝配，每根動(dòng)梁裝配和附近的一根定梁裝配布置在相同的兩臺(tái)裝料輥道的中間。上料臺(tái)架總布置圖如圖1，圖中裝料輥道是生產(chǎn)線上的配套設(shè)備。

圖1 上料臺(tái)架總布置圖

步進(jìn)式圓坯上料臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，主要由：定梁裝配、動(dòng)梁裝配、箱型梁裝配、平移驅(qū)動(dòng)裝置、升降驅(qū)動(dòng)裝置和平移、升降行程控制裝置等組成。

在上料臺(tái)架的前端設(shè)有平移驅(qū)動(dòng)裝置，底部設(shè)有升降驅(qū)動(dòng)裝置，上部設(shè)有定梁和動(dòng)梁；定梁和動(dòng)梁為設(shè)有弧形槽的結(jié)構(gòu)，定梁的下方通過(guò)下部支座固定在基礎(chǔ)上，動(dòng)梁的下方設(shè)有箱型梁裝配，箱型梁裝配和其下方的升降驅(qū)動(dòng)裝置連接。上料臺(tái)架通過(guò)平移和升降驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)動(dòng)梁，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)梁的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)步進(jìn)爐需要圓坯時(shí)，將上料臺(tái)架上存放的圓坯，托放到裝料輥道上。

圖2 上料臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳動(dòng)計(jì)算

對(duì)上料臺(tái)架的核心內(nèi)容：升降和平移驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力及液壓缸選型的計(jì)算做詳細(xì)介紹。

1)技術(shù)參數(shù)

上料臺(tái)架上圓坯的最大重量：20000kg；

動(dòng)梁裝配自身的重量(包含滾輪裝配)：2700kg；

箱型梁裝配自身的重量：6200kg；

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，升降液壓缸設(shè)計(jì)兩個(gè)，平移液壓缸設(shè)計(jì)一個(gè)。

2)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

拉桿托臂式步進(jìn)機(jī)構(gòu)如圖3所示，其中驅(qū)動(dòng)托臂各段臂長(zhǎng)r1、r2，各臂對(duì)水平面和垂直面的夾角α、γ等按結(jié)構(gòu)情況及工作經(jīng)驗(yàn)選定。

同步軸1處的總扭矩為：

∑M=M1+M2+M3(kN·m)

(1)

式中:M1—?jiǎng)恿貉b配及箱型梁裝配與上料臺(tái)架上的圓坯等重量作用在同步軸上形成的扭矩,kN·m；

M2—同步軸1處摩擦力產(chǎn)生的扭矩,kN·m；

M3—滾輪運(yùn)行阻力產(chǎn)生的扭矩，kN·m。

當(dāng)略去各托臂的重量時(shí)，則

M1=(Q+Gb+Gt)r1cosα(kN·m)

(2)

(3)

(4)

式中：Q—上料臺(tái)架上圓坯的重力，kN；

Gb—?jiǎng)恿貉b配自身重力，kN；

Gt—箱型梁裝配及其上附件等自身重力，kN；

μ—軸承處摩擦因數(shù)：滑動(dòng)軸承取μ=0.10；滾動(dòng)軸承取μ=0.01；

β—附加阻力系數(shù)：輥?zhàn)佑没瑒?dòng)軸承時(shí)β=1.2～1.5；用滾動(dòng)軸承時(shí)β=2.0～2.5；本項(xiàng)目取β=2.5；

d—同步軸的平均直徑，m；

l—驅(qū)動(dòng)托臂上支點(diǎn)到滾輪和軌道板接觸面的距離，m；

D’、d’—滾輪的外徑和軸徑，m；

r1—驅(qū)動(dòng)托臂上臂長(zhǎng)，m；

f—滾輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，m，取f=0.0005m。

圖3 拉桿托臂式步進(jìn)機(jī)構(gòu)

使動(dòng)梁上升所需的力Fa為：

Fa=∑M/(ηr2cosγ)(kN)

(5)

式中:η—考慮各桿鉸接處的摩擦損失后提升機(jī)構(gòu)的效率，取η=0.8～0.9，本項(xiàng)目取η=0.85；

r2—驅(qū)動(dòng)托臂下臂長(zhǎng)，m。

使動(dòng)梁水平移動(dòng)所需的力Fb為[5]：

(6)

拉桿托臂機(jī)構(gòu)的托臂上，各點(diǎn)軌跡都是弧形，運(yùn)行中變量α、γ值是變化的，因此函數(shù)ΣM也是變化的，根據(jù)機(jī)構(gòu)本身的限制，α、γ有一定的取值范圍，通過(guò)計(jì)算得出ΣM的最大值，然后據(jù)此計(jì)算出動(dòng)梁上升所需力Fa=301.06(kN)。

3)升降液壓缸選型

動(dòng)梁上升時(shí)，液壓缸無(wú)活塞桿端為工作油腔，所以

(7)

式中：D—液壓缸缸體內(nèi)徑，mm；

P—液壓系統(tǒng)壓力，MPa，本項(xiàng)目系統(tǒng)工作壓力為12MPa；

η0—液壓缸的機(jī)械效率，指密封部位的機(jī)械損失，一般為0.85～0.95，本項(xiàng)目取0.9。

綜上所述，D=133.21(mm)。

根據(jù)計(jì)算選用液壓缸φ140/φ100滿足要求。

4)平移液壓缸選型

根據(jù)上述公式(6)，使動(dòng)梁水平移動(dòng)所需的力Fb=22.25(kN)。

平移液壓缸正常工作是無(wú)活塞桿端為工作油腔，考慮到逆循環(huán)時(shí)平移液壓缸是有活塞桿端為工作油腔，所以

(7)

式中：d—液壓缸活塞桿直徑,mm。

一般活塞桿直徑為d=(0.03～0.07)D,根據(jù)初算值及經(jīng)驗(yàn)初步選用液壓缸φ100/φ70，然后校核如下：

所以，選用的平移液壓缸Φ100/Φ70滿足要求。

2.4 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合該工程建設(shè)生產(chǎn)線的特點(diǎn)，及對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的步進(jìn)式圓坯上料臺(tái)架，其創(chuàng)新結(jié)構(gòu)介紹如下。

2.4.1 定梁裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置

上料臺(tái)架斷面圖見(jiàn)圖4，上料臺(tái)架的定梁裝配結(jié)構(gòu)包括：定梁、下部支座和軸承座等。定梁共用四根，每根都布置在動(dòng)梁附近，以上料臺(tái)架中心線對(duì)稱布置，定梁由厚鋼板和筋板焊接而成，上表面有弧形槽,弧形槽的大小由圓坯直徑?jīng)Q定，弧形槽的間距等于上料臺(tái)架平移步距，定梁通過(guò)螺栓裝配在下部支座上。下部支座是由H型鋼焊接而成，一共有8個(gè)，每?jī)蓚€(gè)支撐一根定梁，下部支座采用預(yù)埋地腳螺栓安裝在土建基礎(chǔ)上。另外，在每個(gè)下部支座上還裝配有兩個(gè)支承升降同步軸的軸承座。

圖4 上料臺(tái)架斷面圖

此定梁裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)牢固，實(shí)現(xiàn)了圓坯在定梁上的定位，并保證了升降同步軸的轉(zhuǎn)動(dòng)順暢平穩(wěn)。

2.4.2 動(dòng)梁裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置

上料臺(tái)架的動(dòng)梁裝配共設(shè)有四根，以上料臺(tái)架中心線對(duì)稱布置，并且每根動(dòng)梁裝配和其附近的一根定梁裝配一起布置在相同兩臺(tái)裝料輥道的中間。每根動(dòng)梁裝配都包括動(dòng)梁和滾輪裝配，動(dòng)梁裝配的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 動(dòng)梁裝配及箱型梁裝配的結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)梁由厚鋼板和筋板焊接而成，上表面的弧形槽大小及間距與定梁上弧形槽大小及間距相同，動(dòng)梁在后下位時(shí)其最前端弧形槽與裝料輥道中心線間距為一個(gè)步距，每根動(dòng)梁下方裝有兩組滾輪裝配，每組滾輪裝配有兩個(gè)帶導(dǎo)向邊的滾輪。

此動(dòng)梁裝配結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計(jì)合理，無(wú)需單獨(dú)配置裝取料裝置和擋料裝置，能很好的實(shí)現(xiàn)動(dòng)梁的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，保證圓坯準(zhǔn)確的輸送到裝料輥道上，克服了上料臺(tái)架的跑偏現(xiàn)象。

2.4.3 箱型梁裝配

箱型梁裝配是實(shí)現(xiàn)動(dòng)梁矩形步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，如圖5所示，箱型梁裝配主要由箱型梁和上、下軌道板組成。箱型梁由鋼板焊接而成，內(nèi)側(cè)裝有上、下軌道板，和動(dòng)梁裝配在一起的滾輪裝配在箱型梁的箱體內(nèi)沿軌道板滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)梁的平移運(yùn)動(dòng)。箱型梁的下方設(shè)有托臂上支座，用于安裝驅(qū)動(dòng)托臂和擺動(dòng)托臂，升降液壓缸驅(qū)動(dòng)托臂時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)箱型梁做升降運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮到箱型梁較長(zhǎng)，所以把軌道板做成分段形式，易于制造、安裝和更換。此箱型梁結(jié)構(gòu)解決了利用雙層框架時(shí)的制造、加工及運(yùn)輸問(wèn)題。

2.5 行程控制裝置

行程控制裝置包括升降行程和平移行程裝置。兩個(gè)都是靠裝在同步軸端部的接近開(kāi)關(guān)裝置檢測(cè)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

3 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及性能分析

1)此上料臺(tái)架無(wú)需單獨(dú)配置裝取料裝置和擋料裝置，設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，占地面積小，滿足了本項(xiàng)目場(chǎng)地緊張，投資小的要求。

2)此上料臺(tái)架通過(guò)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)運(yùn)送圓坯，最后將其托放到裝料輥道上，且采用的液壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“輕拿輕放”，克服了常用上料臺(tái)架對(duì)鋼坯表面磨損大和上料時(shí)鋼坯對(duì)輥道有沖擊的缺點(diǎn)，圓坯及裝料輥道表面質(zhì)量得到了保證，并克服了有些上料臺(tái)架對(duì)鋼坯定位不準(zhǔn)及不適用熱坯的缺點(diǎn)。

3)具有足夠強(qiáng)度的定梁和動(dòng)梁每根都是單獨(dú)布置，簡(jiǎn)單合理，造價(jià)低，并且解決了現(xiàn)有上料臺(tái)架利用整體框架，加工制造及運(yùn)輸不方便的問(wèn)題。

4)有返料需求時(shí)，此上料臺(tái)架可以實(shí)現(xiàn)輥道上的坯料返回到臺(tái)架上。

5)滾輪設(shè)計(jì)導(dǎo)向邊，防止跑偏，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，噪音極小。

4 注意事項(xiàng)

1)上料臺(tái)架安裝時(shí)應(yīng)注意動(dòng)梁應(yīng)處于后下位，動(dòng)梁最前端弧形槽與裝料輥道中心線間距為一個(gè)步距，即當(dāng)圓坯到達(dá)上料臺(tái)架最前端，裝料輥道允許上料時(shí)，上料臺(tái)架再前進(jìn)一個(gè)步距就能將圓坯輸送到裝料輥道上。而且動(dòng)梁處于低位，動(dòng)梁的上表面低于定梁，動(dòng)梁不承擔(dān)上料時(shí)的沖擊。

2)動(dòng)梁和定梁上表面的弧形槽大小和間距相同，吊車擺放圓坯時(shí)應(yīng)將圓坯放在定梁的同一相位弧形槽中，與上料臺(tái)架的中心線垂直，以保證圓坯上到裝料輥道上不跑偏。

3)當(dāng)上料臺(tái)架上熱坯時(shí)，定梁上的弧形槽和動(dòng)梁上的弧形槽要設(shè)計(jì)成錯(cuò)位布置，距離50～80mm，這樣圓坯在從定梁上托起和放回到定梁上時(shí)產(chǎn)生同一方向的滾動(dòng)，每移動(dòng)一個(gè)步距產(chǎn)生兩次滾動(dòng)，起到均勻冷卻圓坯的作用。

5 結(jié)論

根據(jù)某公司調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的步進(jìn)式圓坯上料臺(tái)架，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，工作性能穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊，經(jīng)濟(jì)合理；設(shè)備采用干油集中潤(rùn)滑，維護(hù)量小。該設(shè)備已投產(chǎn)運(yùn)行，工作平穩(wěn)、可靠，使用效果良好，滿足了工藝要求，有力保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行，得到了工程方的認(rèn)可。生產(chǎn)實(shí)踐證明此設(shè)計(jì)是合理的，對(duì)相同及相似設(shè)備的設(shè)計(jì)制造有一定的借鑒意義。